Mechanismen der tonalen Schallentstehung bei der menschlichen Stimme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Becker
• Fachliche Zuordnung: Akustik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446965891

Stimmstörungen sind in unserer Gesellschaft weit verbreitet, weshalb sie von hoher sozialer und wirtschaftlicher Relevanz sind. Als Folge einer Stimmerkrankung leiden Patienten unter erhöhter physiologischer und psychischer Belastung sowie verminderter Lebensqualität. Eine gesunde menschliche Stimme resultiert aus einer komplexen Fluid-Struktur-Akustik Interaktion. Die Strukturschwingung der Stimmlippen moduliert die Strömung durch die Glottis und erzeugt somit Schall. Dieser setzt sich bei einer gesunden Stimme hauptsächlich aus harmonischen Anteilen zusammen. Dabei ist der Vokaltrakt stromabwärts der Stimmlippen ein Schlüsselfaktor für die gesunde Phonation: unsere Hypothese ist, dass sich eine akustische Rückkopplung auf die Stimmlippenbewegung und die Strömung vor allem auf höherharmonische Anteile im Schallsignal auswirkt. Daher kann der Vokaltrakt neben der Formung von Formanten auch die Erzeugung von Obertönen bei der menschlichen Stimme beeinflussen, was entscheidend für eine gesunde Stimme ist. Das zentrale Ziel des Forschungsprojekts ist demnach, ein grundlegendes Verständnis der tonalen Schallerzeugung während der Phonation zu erhalten. Hierfür wird eine experimentelle Methodik benutzt, die eine vollständige Kopplung der Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion ermöglicht. Die Untersuchungen erfolgen an einem speziellen Versuchsstand, welcher den Phonationsprozess in einem etablierten synthetischen Kehlkopfmodell abbildet. Erweitert wird die Funktionalität des Aufbaus durch die Integration veränderlicher Vokaltraktgeometrien. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden die Untersuchungen auf eine MRT-basierte, realistische Formen des Vokaltraktes übertragen. Das Ergebnis dieser umfangreichen Untersuchungen bildet damit die Erfassung der Mechanismen der tonalen Schallentstehung während der Phonation unter dem Einfluss eines Vokaltrakts. Das Projekt beinhaltet drei besonders innovative Aspekte. (1) Die Fokussierung auf den harmonischen Anteil im erzeugten Schall und die akustische Rückkopplung in einem vollständig gekoppelten experimentellen Ansatz, welcher die grundlegenden Mechanismen der Phonation reproduziert. (2) Mit unserem PIV-basierten Verfahren wird eine direkte, experimentelle Bestimmung des tonalen akustischen Quellfeldes sowie dessen Schallabstrahlung ermöglicht. (3) Die Stimmlippenschwingung und die zugrundeliegende Strukturinteraktion werden mit einem Fokus auf ihren harmonischen Anteil bestimmt.Am Ende dieses Projekts steht eine umfassende Analyse der physikalischen Mechanismen in der Sprachbildung bei Berücksichtigung von akustischer Rückkopplung, welche die harmonische Schallerzeugung markant beeinflusst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen